Nematostella miRNAs

Vertebraten und Insekten weisen deutlich komplexere Körperbaupläne auf, als basale Tierstämme. Wie morphologische Komplexität genetisch kodiert ist, ist jedoch nach wie vor eine ungelöste Frage. Da die Komplexität des Genrepertoires basaler Metazoa erstaunlich gross ist, ist es wahrscheinlich, dass die Gen- Interaktionen und -Regulationen eine entscheidende Rolle in diesem Zusammenhang spielen. Die erst kürzlich entdeckten nicht-kodierenden microRNAs (miRNAs) sind in jüngster Zeit in Zusammenhang mit der evolutionären Zunahme an morphologischer Komplexität zwischen basalen Metazoa und Vertebraten bzw. Insekten gebracht worden. miRNAs bestehen aus 21-24 Nucleotiden und sie haben eine wichtige Funktion in der Regulation von entwicklungsbiologischen und physiologischen Prozessen. miRNAs wirken inhibierend auf die Translation von mRNAs, an die sie in sequenz-spezifischer Weise binden und damit ein post-transkriptionelles "Tuning" Kontroll- System darstellen. Während das Verständnis der Wirkweise von miRNAs in Bilateria wie Fliegen, Nematoden und Säugern rasch zunimmt, ist nahezu nichts in anderen Tieren bekannt, insbesondere in morphologisch einfachen und phylogenetisch basalen Organismen. Die Seeanemone Nematostella vectensis, eine Vertreterin der basalen Cnidaria, ist ein neuer Modellorganismus, der auch funktionelle experimentelle Ansätze an embryonalen Stadien ermöglicht. Kürzlich wurden 40 miRNAs in N. vectensis identifiziert, von denen aber nur eine (miR-100) eine Homologie zu Bilateria miRNA aufweist. Diese miRNAs resultieren jedoch von einer Mischung von RNAs aus allen Stadien und dadurch könnten sehr spezifisch exprimierte miRNAs nicht detektiert worden sein. Um die Komplexität der Regulation durch miRNAs wirklich ermessen zu können, planen wir daher zunächst eine komplette Identifikation aller miRNAs durch deep sequencing in 10 einzelnen Stadien. Das Material hierfür kann in unserer 500 Aquarien fassenden Facility gewonnen werden. Dann planen wir die Expression und die Funktion der miRNAs in Nematostella zu studieren. Hierfür werden wir in situ Hybridisierung, Morpholino-vermittelten Gen- knockdown und Manipulationen in eigens entwickelten transgenen Tieren einsetzen. Von allen miRNAs, insbesondere aber diejenigen mit einem klaren Phänotypen in Gen-Knockdown Experimenten, werden wir mittels bioinformatischer Ansätze Targetgene voraussagen und experimentell testen. Dieses Forschungsprojekt hat zum Ziel die Rolle von miRNAs in einem basalen Tier zu erschliessen dessen gemeinsamer Vorfahre mit dem Menschen vor 600 Millionen Jahren lebte und die Resultate könnten Aufschluss darüber geben, welche anzestrale Funktionen miRNAs in einfachen Organismen mit nur wenigen Zelltypen haben.

Die meisten Gene sind in ihrer Expression strikt reguliert und nur zu bestimmten Zeitpunkten der Entwicklung, in bestimmten Zellen und Geweben und in Antwort auf bestimmte physiologische Zustände aktiv. Neben der transkriptionellen Ebene von der DNA zur mRNA kann auch auf post-transkriptioneller Ebene, d.h. während der Translation der mRNA zum Protein, die Genexpression reguliert werden. Die Forschung der letzten Jahre hat für die zweite Ebene, die posttranskriptionelle Kontrolle, kleine nicht-kodierende RNAs, microRNAs (miRNAs) als wichtige inhibitorische Regulatoren aufgedeckt. miRNAs binden in sequenzspezifischer Weise an Ziel-mRNAs und inhibieren ihre Translation. miRNAs sind in eine Vielzahl von Prozessen involviert und regulieren wichtige Gene der Entwicklung und der Homöostase unter physiologischen Bedingungen. Ihre Misregulation oder Mutierung führt in vielen Fällen beim Menschen zu Defekten und Krankheiten. miRNAs gibt es in fast allen Tieren und in Pflanzen, aber nicht in Pilzen und Einzellern. Bislang ging man davon aus, dass tierische und pflanzliche miRNAs unabhängig voneinander entstanden sind, da ihre Biogenese unterschiedlich ist, sie keine Sequenzähnlichkeit aufweisen und ihr Wirkmechanismus fundamental anders ist. Trotz ihrer Bedeutung für die Entwicklung und Physiologie der Organismen ist ihr evolutionärer Ursprung bislang nicht gut verstanden. Es ist daher wichtig, evolutionär alte Linien wie die Nesseltiere (Seeanemonen, Quallen, Korallen), die vor etwa 600 Mio Jahren entstanden sind, zu untersuchen. In diesem Projekt wurden zunächst in der Seeanemone Nematostella vectensis insgesamt 87 miRNAs identifiziert, was in der gleichen Größenordnung deutlich komplexerer Organismen liegt. Obwohl Wirbeltiere und Insekten über 30 miRNA Familien teilen, besitzt Nematostella nur eine einzige der 87 miRNAs mit Sequenzähnlichkeit zu anderen Tieren. Die bioinformatische Analyse der Biogenese-Maschinerie ergab, dass Nematostella alle dafür notwendigen Proteine anderer Tiere besitzt, aber erstaunlicherweise auch solche, die man exklusiv den Pflanzen zugesprochen hatte. Als der Wirkmechanismus untersucht wurde, ergab sich überraschenderweise, dass die Seeanemone mRNAs nicht mit der tierspezifischen Weise inhibiert, sondern den pflanzentypischen Mechanismus benutzt, der auf einer hochspezifischen Erkennung und nachfolgendem Zerschneiden der mRNA an der Bindestelle beruht. Zusammengenommen ergibt sich daraus ein neues Bild, dass Pflanzen miRNAs in Biogenese und Mechanismus ursprünglich ist, der auch von den ersten Tieren übernommen wurde und erst im Übergang zu den komplexeren bilateralsymmetrischen Tieren (Wirbeltiere, Insekten, Würmer, etc) deutlich abgeändert wurde. Wir spekulieren, dass dies ein wichtiger Schritt in der Evolution von tierischer Komplexität gewesen ist.